李 崢，索雙富，閻紹澤，盧文秀，王天楊，秦朝燁，褚福磊

（清華大學(xué)機械工程系，北京 100084）

0 引言

2016 年國家提出了“新工科”建設(shè)，2017 年2 月的“復(fù)旦共識”［1］、4 月的“天大行動”［2］、6 月的“北京指南”［3］，其建設(shè)的3 個階段為下一步高校組織開展新工科建設(shè)指明了目標與方向。為此，各高校積極開展了新工科建設(shè)，如上海交通大學(xué)面向新工科實踐教育體系的建立［4］；西安交通大學(xué)針對兩個國家級實驗教學(xué)中心開展建設(shè)與實踐［5］；中國礦業(yè)大學(xué)采用分層次培養(yǎng)的教學(xué)理念開展新工科建設(shè)［6］；北京航空航天大學(xué)展開系統(tǒng)性的新工科建設(shè)與改革措施［7］；華中科技大學(xué)通過實施“五個一”工程建設(shè)新工科［8］?？傊鞲咝Ｔ趪艺叩囊龑?dǎo)下并結(jié)合自身學(xué)科特點開展了卓有成效的新工科建設(shè)，為人才培養(yǎng)、學(xué)科建設(shè)奠定了基礎(chǔ)［9-11］。

我校轉(zhuǎn)子動力學(xué)課題組以新工科建設(shè)為背景，以學(xué)校人才培養(yǎng)體系為基本理念，結(jié)合機械系培養(yǎng)機械工程拔尖創(chuàng)新型人才為思路［12］，以實驗教學(xué)為基礎(chǔ)的實驗課程越來越受到了重視，其所占分數(shù)的比例已達到總成績的40%，為了以工程為導(dǎo)向的實驗教學(xué)改革，結(jié)合我校本科生特點，通過和教學(xué)負責(zé)人的多次探討與研究，以國家級一流課程機械原理的知識點為基礎(chǔ)，進行了實驗的規(guī)劃和設(shè)計，開設(shè)了轉(zhuǎn)子系列平衡實驗教學(xué)，從基礎(chǔ)理論驗證到工程實驗拓展，實驗體系的建設(shè)，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容，為新工科的教學(xué)實驗改革邁出了新的步伐。以科技創(chuàng)新為支撐的人才培養(yǎng)模式，不僅為大機械類基礎(chǔ)實驗教學(xué)提供了有效的保障，更為培養(yǎng)創(chuàng)新型人才提供了支撐。

1 轉(zhuǎn)子平衡平臺建設(shè)思路

實驗課程改革從“以教為主”向“項目貫穿式實踐”轉(zhuǎn)變，力求體現(xiàn)課程內(nèi)容的豐富性、先進性和授課方式的創(chuàng)新性、新穎性，通過改革打通了課堂教學(xué)無法解決的問題，結(jié)合熱點技術(shù)和相關(guān)項目的支撐，貫穿式的教學(xué)改革增強了對本科生能力的培養(yǎng)，同時更加促進理論知識與熱點相結(jié)合，引導(dǎo)學(xué)生自主創(chuàng)新的能力，提高學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題、解決問題的能力。課程的改革，不僅要培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才，也為更好參與創(chuàng)新發(fā)展這一戰(zhàn)略任務(wù)，為創(chuàng)建一流大學(xué)貢獻力量。在保證理論知識教授的同時，借鑒國內(nèi)外同行的改革成果，結(jié)合我校研究生自身發(fā)展需要，對課程進行一系列改革，改革的初衷是以人為本培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才。如何調(diào)動研究生的積極性，培養(yǎng)科技創(chuàng)新能力，相關(guān)老師做了大量的研究與探討。根據(jù)課程特點，主要在以下幾方面進行改革創(chuàng)新：①進行教學(xué)模式創(chuàng)新，教學(xué)模式的創(chuàng)新在課程建設(shè)的主要思路是積極配合學(xué)校創(chuàng)建雙一流大學(xué)的主旨思想，一改以往以講授為主的授課方式，為培養(yǎng)具有科技創(chuàng)新能力的人才，以課程改革為契機重新編寫課程詳細的課程大綱，做好課程體系建設(shè)的基本工作，學(xué)生能總體把握課程進度，有的放矢。改變以往單純的知識傳授的教學(xué)方式，減少理論公式推導(dǎo)，引入新方法新手段，以最新最生動的形象講解理論知識及相應(yīng)工程實際案例，拓展理論知識的應(yīng)用面。②引入相關(guān)工程實踐及大報告方式，根據(jù)學(xué)生不同專業(yè)的特點，利用已有知識解決相應(yīng)工程問題，利用課題匯報（自主命題、自我測試、自行評價）充分調(diào)動學(xué)生科研的興趣，學(xué)以致用，讓理論知識與工程實際問題相結(jié)合，課程增加的實踐課程平臺主要分為3 種：理論知識驗證實踐、實際工程實踐和項目貫穿式實踐，利用以上幾點步步深入，引導(dǎo)學(xué)生從理論知識的理解到實際應(yīng)用的鍛煉過程，真正做到課堂教學(xué)與實踐教學(xué)的打通，實踐平臺的建設(shè)也把科研與教學(xué)打通。③考核模式的創(chuàng)新，以開卷方式考查生對于知識的應(yīng)用能力，不用死記硬背的方式，增加大作業(yè)分數(shù)比例。

2 轉(zhuǎn)子平衡實驗教學(xué)模式創(chuàng)新

為創(chuàng)建雙一流大學(xué)，培養(yǎng)創(chuàng)新型人才，本科生的教育教學(xué)就要適應(yīng)新形勢下的授課方式，改革勢在必行。在課程教學(xué)模式創(chuàng)新方面，其主要創(chuàng)新點是從以教師為主學(xué)生為輔進行互換，通過課前預(yù)習(xí)查閱資料等，充分調(diào)動學(xué)生積極性，激發(fā)學(xué)生創(chuàng)新性。為達到學(xué)以致用，開拓創(chuàng)新的目標，需要重新編寫一套符合我校學(xué)生機械原理課程改革教育教學(xué)大綱，大綱主要包括課程介紹、課程知識結(jié)構(gòu)、教學(xué)方式、課程及工程實踐等時間安排、最終考核方式比例等。同時大綱還要精確地列出每周課程內(nèi)容、重點、查閱的相關(guān)資料、作業(yè)等信息。更加全面豐富的信息，目的就是讓學(xué)生總體把握課程內(nèi)容及安排，明確任務(wù)和要求，大綱的撰寫同時也是教師對課程內(nèi)容的總體把控。課程過去大多是公式推導(dǎo)，相對來說較為枯燥，由于課時有限，為了能讓學(xué)生有更多的時間參與項目式的工程實踐，培養(yǎng)研究生創(chuàng)新能力，根據(jù)本校學(xué)生基礎(chǔ)知識及學(xué)習(xí)能力較強的特點，取消相關(guān)公式推導(dǎo)，配合講解實踐項目工程實際應(yīng)用的案例，及時將學(xué)科前沿、工程研究中遇到的典型問題及解決方案展示給學(xué)生，讓其對理論知識與應(yīng)用的工程背景有一定了解，提高課程的直觀性和生動性。

總之，教學(xué)模式的創(chuàng)新是以培養(yǎng)綜合創(chuàng)新型的優(yōu)秀人才為目標，課程大綱的應(yīng)用使學(xué)生總體把控課程的進度安排，課程引入相關(guān)熱點工程項目等，活躍了課程氣氛，更重要的是將理論知識生動地展現(xiàn)給學(xué)生。

3 轉(zhuǎn)子平衡實踐課程的教學(xué)模式創(chuàng)新

3.1 實踐課程教學(xué)平臺簡介

要充分發(fā)揮機械原理課程與工程實際相結(jié)合的特點，培養(yǎng)具有工程背景的創(chuàng)新型人才，根據(jù)多年的教學(xué)及科研經(jīng)驗精心建設(shè)了實踐課程教學(xué)平臺。平臺主要分為理論驗證實踐、工程實踐和項目貫穿式實踐3 個部分。

（1）理論驗證實踐。主要是展示通過Matlab 等仿真軟件，編寫如單自由度、多自由度、連續(xù)體等模擬展示實驗，通過生動的仿真，把難以理解的理論知識形象地展示出來，既減少了理論公式的推導(dǎo)時間，又能讓學(xué)生快速理解知識。

（2）工程實踐。主要是依托機械動力學(xué)及機械故障診斷實驗室的科研實驗設(shè)備，如振動采集分析設(shè)備、故障仿真器等。學(xué)生根據(jù)編寫的實驗指導(dǎo)書，分成若干小組，共同查閱相關(guān)資料撰寫實驗開題報告。采集工程實驗中的各種信號，獨自完成數(shù)據(jù)分析處理及撰寫實驗分析報告。前期的準備工作以小組為單位，主要是鍛煉研究生團隊協(xié)作的能力，后期的數(shù)據(jù)處理及分析主要是培養(yǎng)學(xué)生獨立研究、獨立思考培養(yǎng)創(chuàng)新思維的能力，同時鍛煉對于工程軟件的應(yīng)用以及如何利用理論知識處理實際工程的能力。

（3）項目貫穿式實踐。主要是針對學(xué)生科研方向，利用已有相關(guān)知識參與到相關(guān)課題中解決工程上的問題，撰寫報告并進行匯報，依托課題組科研項目的支撐，研究生通過參與工程科研，開拓思路、展示創(chuàng)意、發(fā)揮科技創(chuàng)新精神。讓所學(xué)的知識應(yīng)用到實際中，能盡早融入后續(xù)的科研工作中。

課程實踐的設(shè)計是相輔相成的，既有理論知識基礎(chǔ)驗證的實驗，又有突出工程背景的實驗以及根據(jù)方向能力參與的貫穿式實踐。理論驗證實踐將課堂枯燥的知識利用仿真軟件生動展示出來；工程實踐是將所學(xué)的理論知識與解決工程實際問題相結(jié)合，培養(yǎng)學(xué)生科技創(chuàng)新思維；項目貫穿式是為了學(xué)習(xí)進一步深入，讓本科生盡快步入科研的殿堂。

3.2 實驗?zāi)康?/h3>

根據(jù)課程內(nèi)容，設(shè)計了一系列的課程實驗，從簡單的靜平衡，到轉(zhuǎn)子動平衡，最后到工程實踐，步步深入式的實驗教學(xué)，通過實驗讓學(xué)生將理論弄熟吃透，手腦并用，充分調(diào)動學(xué)生的積極性，將課本枯燥的理論知識，通過系列課程實驗完成，從而更能加深學(xué)生對于理論知識的理解。創(chuàng)新的實驗課程教學(xué)再結(jié)合國家重點研發(fā)方向，引入關(guān)于燃氣輪機、航空發(fā)動機轉(zhuǎn)子等高速平衡的案例與應(yīng)用，進一步加深學(xué)生對于工程領(lǐng)域的深入了解與理解，最新科研知識豐富了教學(xué)內(nèi)容，開拓了學(xué)生的視野，為今后的學(xué)習(xí)科研培養(yǎng)了興趣。

3.3 實驗裝置

根據(jù)平衡原理，機械創(chuàng)新實驗室設(shè)計了一系列符合本校本科生特色的教學(xué)設(shè)備，主要有靜平衡、轉(zhuǎn)子動平衡以及工程實踐等試驗臺。3 個試驗臺相輔相成，從理論知識體系的建設(shè)，到實驗的驗證分析，最后到工程實踐的應(yīng)用，由理論到工程，由簡單到復(fù)雜的一個培養(yǎng)過程，建立了學(xué)生平衡理論知識體系在轉(zhuǎn)子平衡中的應(yīng)用體系。其中靜平衡為自行加工的雙導(dǎo)軌式和圓盤式設(shè)備，配合各種模擬平衡轉(zhuǎn)子實驗配件，不同平衡種類有利于每個學(xué)生親自動手完成實驗，培養(yǎng)理論計算與動手能力。動平衡試驗臺未采用市場上成熟的動平衡機，主要考慮過于自動化的設(shè)備不利于學(xué)生的基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)，因此機械創(chuàng)新實驗室利用轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，傳感器系統(tǒng)、轉(zhuǎn)速系統(tǒng)（提供轉(zhuǎn)速與相位）、信號采集系統(tǒng)、各種模擬偏心試驗件組成的一個動平衡測試平臺［13-14］。學(xué)生通過自行采集數(shù)據(jù)并進行分析處理，從而得到平衡的補償?shù)?。工程實踐設(shè)備為汽車輪胎平衡儀，利用汽車輪胎平衡的實驗驗證，從而拓展了理論知識體系，在解決實際工程問題的時候，再結(jié)合講解相關(guān)領(lǐng)域最熱的科研知識成果，使學(xué)生對于工程實踐有更深刻的體會。

（1）靜平衡實驗。根據(jù)定義，當D/b≥5 時，對轉(zhuǎn)子進行靜平衡實驗。這里設(shè)計為導(dǎo)軌式和圓盤式的兩種靜平衡實驗設(shè)備，主要是考核學(xué)生對于平衡的計算等，通過學(xué)生實驗對比分析，比較兩者設(shè)備的優(yōu)缺點，以及改進措施等。圖1 所示為部分設(shè)計的葉輪平衡試驗件。

圖1 葉輪平衡試驗件

（2）剛性動平衡實驗。根據(jù)定義，當D/b＜5 時的轉(zhuǎn)子，采用動平衡。目前，一些高等院校以轉(zhuǎn)子動平衡機為基礎(chǔ)設(shè)計了轉(zhuǎn)子動平衡實驗，但是其過于自動化，學(xué)生只是簡單重復(fù)，并沒有領(lǐng)會理解其理論知識。因此根據(jù)目前國內(nèi)狀況，結(jié)合我校學(xué)生能力特點，機械創(chuàng)新實驗室自行設(shè)計了一套動平衡設(shè)備，加工設(shè)計了多種不同形式的轉(zhuǎn)子：如偏心輪、偏心轉(zhuǎn)軸、偏心葉片等，通過不同類型的轉(zhuǎn)子組合模擬各種設(shè)備的平衡過程。通過采集系統(tǒng)采集到的振動、相位等信息，學(xué)生通過計算得到相應(yīng)不平衡量進行補償?shù)?，從而達到實驗最終效果。圖2 所示為轉(zhuǎn)子動平衡試驗臺。

圖2 轉(zhuǎn)子動平衡試驗臺

（3）工程實踐實驗。其理論平衡方式與動平衡基本相同，唯一不同的是具有了工程實踐的意義，其程度相比于理論實驗更為復(fù)雜一些。工程實踐類實驗采用的是汽車輪胎動平衡機，提前準備了不同程度位置的偏心輪胎用于實踐類的課程教學(xué)。同理借助各種振動采集設(shè)備，通過理論計算及實驗達到設(shè)備的平衡，實驗主要是讓理論與實際工程相結(jié)合，加深學(xué)生對于理論知識的理解，通過工程背景的實驗，拓展了學(xué)生的知識面，為今后相關(guān)學(xué)習(xí)工作打下良好的基礎(chǔ)，為從事相關(guān)設(shè)備的研發(fā)與性能提升，奠定堅實的物理概念與理論基礎(chǔ)。圖3 所示為工程實踐實驗平臺。

圖3 汽車輪胎平衡試驗臺

3.4 實驗實施

（1）實驗前準備。主要是分為課前的預(yù)習(xí)和實驗前理論知識的講授兩個部分。由于平衡實驗中采用3套實驗設(shè)備平衡不同轉(zhuǎn)子，因此除了通過課堂上教師講授的知識外，還要課前根據(jù)實驗指導(dǎo)書的安排查閱相關(guān)最新的研究方向和科研成果等知識，針對不同轉(zhuǎn)子如何計算平衡等，尤其是旋轉(zhuǎn)設(shè)備平衡要注意的相關(guān)事項及操作規(guī)范，對設(shè)備操作步驟要有一定的了解，否則很難在短時間內(nèi)完成系統(tǒng)的平衡實驗。

（2）實驗內(nèi)容。轉(zhuǎn)子平衡實驗有一定的安全風(fēng)險，因此要控制實驗人數(shù)為3～5 人，根據(jù)實驗指導(dǎo)書的安排每個人解決不同轉(zhuǎn)子的平衡問題，組內(nèi)人員要對其他人的實驗進行對比分析，實驗教師主要職責(zé)是在保證學(xué)生安全的前提下，解答遇到實驗中各種問題，教師通過引導(dǎo)式的講解，讓其自行解決相關(guān)問題，這樣不僅培養(yǎng)了學(xué)生獨立思考，同時也促進了課程的活躍度。實驗教師的共同參與可以有效地把控各實驗進度情況，尤其是減少安全事故發(fā)生，學(xué)生可以從實驗老師嚴謹?shù)膶嶒炞黠L(fēng)中學(xué)到相關(guān)的實驗操作規(guī)范，為今后的相關(guān)實驗科研打下基礎(chǔ)。其中實驗內(nèi)容分為兩大類，3 個實驗。一類是理論驗證型，如靜平衡、轉(zhuǎn)子動平衡實驗，另一類是工程實踐型實驗，即把理論知識如何真正應(yīng)用到實際工程中，對比與模擬實驗的復(fù)雜度等。其中理論驗證實驗約占60%，工程實踐占40%，總實驗時間為4 學(xué)時。

對于實驗中平衡的問題，指導(dǎo)書只規(guī)定出實驗的最終目的。學(xué)生要通過查閱相關(guān)文獻資料，自行設(shè)計平衡方案，通過親自動手熟悉相關(guān)設(shè)備的操作，由于沒有標準答案，每組根據(jù)實驗件不同，需自行設(shè)計實驗方案解決相關(guān)問題。例如：導(dǎo)軌式的靜平衡實驗，每個學(xué)生要設(shè)計平衡不同的設(shè)備，通過課前給學(xué)生的相關(guān)材料等信息，要求學(xué)生根據(jù)已知信息，做好實驗相關(guān)準備，通過實驗驗證其理論知識。

工程實踐實驗由于其相對復(fù)雜，且有一定危險性，因此需要團隊協(xié)作，通過課前閱讀資料，熟悉設(shè)備操作手則與安全注意事項等，了解實驗?zāi)康募叭绾卫美碚撝R完成工程實驗，其基本原理與之相同，只是工程實踐實驗過程較為復(fù)雜。

3.5 考核方式的創(chuàng)新

課程考試的改革主要著眼于考核方式創(chuàng)新，要注重利用理論知識解決實際工程能力，減少學(xué)生對課本的死記硬背，倡導(dǎo)活學(xué)活用理論知識解決工程及熱點問題的能力?？己诉^程中，實驗老師要全程參與其中，尤其是在安全的前提下把握實驗相關(guān)進度等，對各個環(huán)節(jié)的評估是實驗老師的主要工作。根據(jù)學(xué)生對不同環(huán)節(jié)的掌握熟練程度來評價學(xué)生的實驗成績，其實驗成績分為以下4 部分：①實驗前對于相關(guān)知識準備情況，通過查看每位學(xué)生的實驗預(yù)習(xí)報告等，給出每位學(xué)生的相應(yīng)成績，此部分占20%。②根據(jù)每位學(xué)生動手及操作規(guī)范等以及參考預(yù)習(xí)報告及進度，此部分占40%。③通過實驗中的發(fā)現(xiàn)的問題，以及學(xué)生對于知識點的把控成熟度，此部分占20%。④根據(jù)最終收上來的實驗大報告進行評分，此部分占20%。該考核方式更注重過程，同時打通了課堂教學(xué)與課堂實踐的環(huán)節(jié)，既培養(yǎng)團隊協(xié)作的精神，又鍛煉獨立分析問題解決問題的能力，為今后開展相關(guān)研究拓展知識面，打好理論知識體系和工程實踐基礎(chǔ)。

4 結(jié)語

隨著國家對于重大工程的投入，大型旋轉(zhuǎn)設(shè)備平衡是一個繞不開的課題，在新工科的建設(shè)背景下，通過對國家級一流課程機械原理［15］的實驗教學(xué)改革而開設(shè)的轉(zhuǎn)子平衡實驗教學(xué)課程以及系列平衡設(shè)備的建設(shè)與引進，打通了課程教學(xué)與實驗教學(xué)，把課本知識點搬到了實驗教學(xué)中。通過講授最新的相關(guān)研究成果，豐富了學(xué)生的知識面，解決了理論教學(xué)與實踐教學(xué)的難點。通過對機械工程實驗班實驗教學(xué)改革也發(fā)現(xiàn)一些問題，如何把特色實驗在本科基礎(chǔ)實驗中進行推廣，惠及更多的學(xué)生，是擺在實驗老師及課程負責(zé)人面前的一個難題，同時也是對實驗教師綜合能力提出了更高的要求［16］。但相信通過機械創(chuàng)新實驗室所有老師的不斷探索與改進，各種問題必將迎刃而解。